鉅大LARGE | 點擊量:626次 | 2019年04月17日
鈣鈦礦-硅太陽能電池的轉換效率有望提高至32%
雖然現在愈來愈多科學家秉持著兩人合力事倍功半的精神,開始將兩種不同太陽能材料串聯,盼提高太陽能轉換效率,但就像小組報告中總會有人拖后腿,研發串聯太陽能不太容易,對此,美國科學家已透過新電池設計,開發全新鈣鈦礦-硅太陽能電池,轉換效率更有望提高至32.2%。
硅晶太陽能是目前最常見的太陽能技術,但它其實并不是轉換效率最高的太陽能板,只是具有成本跟制造優勢。其中硅只能吸收紅外或是近紅外光,將其他的光轉換成熱,且在大規模商業化情況下,硅晶太陽能轉換效率也逐漸觸頂,因此科學家開始想透過串聯技術,讓其他太陽能材料來助硅晶一臂之力。
像是英國、瑞士、美國與中國等國都正絞盡腦汁想研發鈣鈦礦-硅晶太陽能,讓鈣鈦礦吸收藍光再轉換成電流,硅晶則負責轉換紅光、近紅外光。
只不過兩種材料合作過程總有摩擦,目前技術多是將鈣鈦礦層直接迭在硅太陽能板上,但材料相迭后會發生能隙重迭效應(bandgapoverlapeffect),使底部硅晶電池性能大打折扣,且將串聯兩種電池更意味著電路設計也跟過去所不同,兩個電池的輸出量也必須要一樣,因此電力輸出較高的電池會受到較低那一方的限制,這讓鈣鈦礦-硅太陽能在發電跟制造方面都存有極大挑戰。
對此,美國華盛頓大學科學家采用全新的太陽能制程與結構設計,讓鈣鈦礦直接“生長”在硅基太陽能板上,值得注意的是,鈣鈦礦太陽能板并不是將藍光轉換成電,而是將藍光轉變成近紅外光,讓底下的硅晶太陽能板可以吸收并轉換更多的光。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
該團隊主要是受到之前中國研究的啟發,兩年前中國吉林大學也有做過類似實驗,他們把稀土金屬鐿噴涂在鈣鈦礦上之后,發現新型太陽能明明已吸收藍光產生電子,但并不會產生電流,而是將能量輸送給鐿原子,而這并非壞事,因為鐿原子激發后會發射近紅外光,這一現象反而有助下方的硅晶太陽能吸收光,進一步提高轉換效率。
華盛頓大學化學家DanielGamelin表示,鐿原子所產生的近紅外光子大多會傳到下方的硅太陽能電池中,讓太陽能板更有效的吸收光,與此同時也能降低熱導致的損失。但科學家若要采用這一方案,還是有些許挑戰待跨,像是鈣鈦礦太陽能板如何迭加在硅晶太陽能板之上、如何讓鈣鈦礦材料分布均勻等。
為解決這一挑戰,華盛頓大學科學團隊也運用新制程,他們透過常見的太陽能生長方法“真空沉積(Vacuumdeposition)”技術,成功在14公分大小的硅太陽能板上形成摻雜鐿的鈣鈦礦層。新型太陽能板的性能也相當好,Gamelin估計新型太陽能應該可以轉換32.2%的太陽光,與過去研究的27%效率相比已提高19.2%。
雖然目前尚不知道該技術是否可以將轉換效率提高到如此境界,畢竟團隊還無法知道鐿原子在轉換過程中會流失多少近紅外光,但對于太陽能產業來說,能提高轉換效率基本上就是一大好事。